柴油机气门故障的四阶累积量切片谱特征提取

沈 虹，肖云魁，赵红东，李良洪，杨青乐

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;2.河北工业大学 信息工程学院，天津300401;3.军事交通学院 基础部，天津300161)

柴油机正常工作过程中，会因配气机构零件 的磨损而影响正常的气门间隙。气门间隙过大或过小，不仅会产生不正常的工作噪声，而且还会导致气门开启高度过小、引起充气不足和排气不畅，从而导致柴油机功率下降、运转不良，影响柴油机的工况和寿命。气门故障特征微弱，容易被发动机复杂的其他分量和强噪声淹没，难以提取。如何准确提取柴油机振动信号中的特征信息，是基于振动信号进行故障诊断的关键。

高阶累积量技术是近年来迅速发展起来的新技术，作为处理非高斯、非线性信号以及盲信号的重要工具而日益受到重视［1-3］。目前，高阶谱已逐步在海洋波和地震波分析、经济时间序列分析、工业检测、医学信号分析及无线电信号处理等领域得到了广泛的应用。国内外将高阶谱应用到发动机机械故障诊断领域的研究较少。肖云魁等［4］将双谱应用于柴油机曲轴轴承的磨损故障诊断，有效提取出了能够反映曲轴轴承技术状况的故障特征参数;孙云岭等［5］通过分析发动机正常和故障时的瞬时转速波动波形的双谱图，确定单缸断油时的故障缸的位置，取得了较好的效果。高阶谱具有较强的高斯噪声抑制能力，理论上可以完全抑制高斯噪声和非高斯有色噪声，同时又能保持非线性系统的相位信息［6］，但高阶谱计算复杂，计算量较大，在线应用时受限。

为了从稳态振动信号中有效提取出气门微弱故障特征，本文采用高阶累积量理论，分析气门不同配合间隙下振动信号的四阶累积量切片谱，从四阶累积量切片谱中提取能够反映气门磨损故障的特征，取得了较好效果。

1 四阶累积量切片谱分析原理

1.1 四阶累积量及其切片谱

零均值的高斯随机过程的三阶以上高阶累积量恒等于零。因此，如果一个测量信号中含加性高斯噪声，高阶累积量理论上可以完全抑制高斯噪声的影响［7］，提取出有用的信号。

根据高阶累积量的定义［8］，对于离散零均值平稳随机过程x(n)，其四阶累积量为

式中:cum［·］为累积量;τ1、τ2、τ3均为时延;E［·］为数学期望;Rx(τ)为{x(n)}的二阶矩，Rx(τ)=E［x(n)x(n+ τ)］。

根据τ1、τ2和τ3取值的不同，x(n)的四阶累积量的一维切片共有3 种:

(1)当τ1=τ2=τ3=τ 时

(2)当τ1=τ2=τ，τ3=0 或τ1=τ3=τ，τ2=0或τ2=τ3=τ，τ1=0 时

(3)当τ1=τ，τ2=τ3=0 或τ2=τ，τ1=τ3=0或τ3=τ，τ1=τ2=0 时

对四阶累积量的一维切片进行傅里叶变换，得到四阶累积量切片谱:

这些谱都是三谱在不同方向的一维投影。相比于高阶谱的定义:

可以看出，高阶谱是由高阶累积量经过多维傅氏变换得到的，计算量大且耗时长;四阶累积量切片谱比三谱明显简化了计算的复杂度，但保留了其抑制高斯噪声的优点。

1.2 四阶累积量切片谱分析方法

本文利用四阶累积量切片谱提取气门磨损故障特征，既能抑制高斯噪声干扰，又能简化计算量，提高处理速度。具体实现步骤如下:

(1)对柴油机稳态振动信号，计算其四阶累积量对角切片。

(2)对四阶累积量的一维对角切片进行离散傅里叶变换，得到四阶累积量切片谱为

(3)计算四阶累积量切片谱不同频带的累加能量和峰值，进行特征提取。

2 柴油机气门磨损故障的四阶累积量切片谱特征提取

2.1 稳态振动信号采集

柴油机振动信号频率成分复杂，带宽较宽，高频成分较多，因此需要采集系统的采样频率较高;此外，柴油机振型复杂，随机性较大，必须保证采样信号具有重复性。为了解决上述问题，试验设计了振动信号采集系统(如图1 所示)，包括转速传感器、振动加速度传感器、转速监测模块、A/D转换模块等部分。其工作原理:下位机加电后，柴油机转速监测模块开始工作，监测柴油机转速，当柴油机转速达到预先设置的起始转速时，开始根据预设的采样频率和采样点数采集柴油机振动信号，并将振动信号保存到上位机中。由于采集系统监测柴油机转速，只有当柴油机转速达到预设的转速并保持稳定状态后，才开始采集信号，因此保证了信号具有较好的重复性。

图1 柴油机振动信号采集系统结构示意

以实车WD615 型柴油机作为试验对象，它的进气门正常配合间隙为0.3 mm，设置第2 缸进气门为故障气门，试验时尽量不改变其他条件，仅改变第2 缸进气门的配合间隙。本试验中进气门正常和故障的配合间隙参数见表1。

表1 气门磨损故障参数设置 mm

为了比较不同的测点位置对信号特征提取的影响，试验中设置了多个测试点(如图2 所示)。将加速度传感器分别放置在第2 缸对应的缸盖顶部(位置A)、缸体上部右侧(位置B)、左侧(位置C)。图3 为安装于柴油机缸盖和上部左侧位置的振动传感器，图4 为用于转速监测安装在皮带轮外壳处的霍尔传感器。

分别采集前述3 种技术状况下转速为800、1 000、1 300、1 500 r/min 的柴油机稳态振动信号，采样频率为20 kHz，采样点数为40 000。图5 为转速1 000 r/min 采集到的柴油机进气门不同间隙状态下，位置B 处的振动信号。

图2 测点位置示意

图3 柴油机缸盖和上部左侧位置振动传感器

图4 用于转速监测安装在皮带轮外壳处的霍尔传感器

图5 转速1 000 r/min、B 处柴油机稳态振动信号

2.2 柴油机气门磨损故障的四阶累积量切片谱特征提取

为了分析不同转速、不同测试位置对不同程度故障特征提取的影响，对4 种转速、3 个测试点的数据分别进行四阶累积量切片谱分析，并进行对比，确定气门故障特征提取的敏感测试位置、敏感转速和有效特征参数。

2.2.1 四阶累积量切片谱有效性检验

为了检验四阶累积量切片谱的有效性，先对位置B 处转速为1 000 r/min 的振动信号进行四阶累积量切片谱分析。位置B 处配合间隙正常、间隙过大、严重漏气的频谱如图6 所示。可以看出，各种工况的频谱中，峰值比较杂乱，随着故障程度增大，频谱能量并没有明显增强，很难提取出故障特征。

图6 振动信号频谱

对图6 进行四阶累积量切片谱分析，结果如图7 所示。可以看出，配合间隙正常、间隙过大的信号能量主要集中在小于6 kHz 的区域，气门严重漏气时，能量在整个坐标轴上分布相对均匀，随着配合间隙的增加，能量剧烈增加。配合间隙正常时，频率4 kHz 处的振幅峰值为0.013 4 V2，能量为0.178 2 V2;配合间隙增加至0.6 mm 时，频率4 kHz 的峰值达到0.066 8 V2，能量为0.599 9 V2;配合间隙增加至1 mm 时，频率4 kHz 的峰值达到0.154 5 V2，能量增至2.965 5 V2。可见，变化特别明显，能清楚分辨正常、间隙过大和严重漏气故障技术状态，说明四阶累积量切片谱有效提取出了气门故障特征，证明了四阶累积量切片谱的有效性。

图7 进气门3 种配合间隙下的四阶累积量切片谱

2.2.2 不同转速、不同测试位置的四阶累积量切片谱分析

为了检验不同转速、不同测试位置对气门故障特征提取的影响，采用角域四阶累积量切片谱对4 种转速、3 个测试点位置的振动信号进行分析，并统计切片谱能量和峰值，结果见表2。

表2 进气门不同技术状态下能量和峰值比较

续表

可以看出，800、1 000 r/min 时，不同测试位置的信号四阶累积量切片谱能量和峰值增幅明显，能正确识别气门间隙状态，可以以此作为提取气门磨损故障特征的参数;同时可以看出，不同转速对特征提取影响较大，随着转速的升高，1 300 r/min时缸体上部左侧位置的峰值、1 500 r/min 时缸体上部左右两侧的峰值、缸体上部左侧的能量值对气门磨损故障不敏感，不能作为提取气门磨损故障的特征参数。其中，位置A 在4 种转速内的能量和峰值对故障都敏感，这是由于位置A 距离激励源最近，信号传递到位置A 的通道衰减最小。综合上述分析可以确定，柴油机气门磨损故障时的敏感测试位置为缸盖顶部，其次为缸体上部右侧和左侧，敏感转速为800 ～1 000 r/min，其次为1 000 ～1 300 r/min。

3 结 论

(1)四阶累积量对角切片谱既能分析稳态信号，又能有效抑制噪声干扰，且计算量小。

(2)四阶累积量切片谱的能量和峰值，能有效识别气门配合间隙各种技术状态，是提取气门磨损故障特征的有效方法。

(3)气门磨损故障诊断的最佳转速区间为800 ～1 000 r/min，最佳位置为缸盖顶部，其次为缸体上部右侧和左侧。

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